通信原理：第1章 緒論

1、1通信原理2考試時(shí)間：考試周課程成績(jī)計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)：平時(shí)30% 考試70%平時(shí)成績(jī)：讀書報(bào)告+上課表現(xiàn)+作業(yè)3教材：樊昌信等，通信原理參考書：曹志剛等，現(xiàn)代通信原理，第2版；張輝、曹麗娜編著，現(xiàn)代通信原理與技術(shù)；張輝、曹麗娜編著，通信原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)；概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)；鮮繼清等，通信概論；4 其他學(xué)習(xí)資料專業(yè)期刊雜志 通信學(xué)報(bào) 電子學(xué)報(bào) 無(wú)線通信技術(shù) IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS5通信專業(yè)相關(guān)網(wǎng)址 電信博物館： /wwwroot/index.asp 中國(guó)通信新聞網(wǎng)： CHINA通信網(wǎng)： 中國(guó)科普博覽：67“任何時(shí)間”要求支持動(dòng)中通信（無(wú)線通信是前提） 以及通信的

2、暢通無(wú)阻；“任何人”要求支持巨大用戶量：但頻譜資源有限“任何地點(diǎn)”要求無(wú)縫覆蓋：但傳輸能力有限“任何形式”要求傳輸各種多媒體信息：但處理能力有限需要相關(guān)的、新的通信原理和技術(shù)來(lái)解決通信原理重要地位！8 通信原理是通信工程、電子工程、信息工程、計(jì)算機(jī)通信、圖像處理與傳輸?shù)葘I(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，且是以上專業(yè)考研、考博的專業(yè)課程之一。 本課將以通信系統(tǒng)為背景，主要講述通信系統(tǒng)和通信技術(shù)的基本原理。內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概念、信息論初步、模擬信號(hào)調(diào)制技術(shù)、語(yǔ)音編碼、多路復(fù)用、數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)取?課程內(nèi)容9 學(xué)習(xí)方法要求主動(dòng)聽(tīng)課熟練掌握基本概念，原理和性能/結(jié)論用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法分析問(wèn)題注

3、意相關(guān)知識(shí)的回顧及時(shí)復(fù)習(xí)與答疑作業(yè)與上課紀(jì)律要求10通信原理第1章 緒論11第1章 緒論1. 1 通信的基本概念通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹(shù)、烽火臺(tái) 電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。 12第1章 緒論電信發(fā)明史1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)1876年：貝爾發(fā)明有線電話 1918年：調(diào)幅無(wú)線電廣播、超外差接收機(jī)問(wèn)世1936年：商業(yè)電視廣播開(kāi)播 通過(guò)語(yǔ)言、聲、光等直覺(jué)的方式傳遞信息。如：人力、馬力和烽火臺(tái)

4、等；文字、印刷術(shù)的發(fā)明，郵政的出現(xiàn)； 電氣通信時(shí)代：電報(bào)、電話、廣播電視；13 人類通信發(fā)展的幾個(gè)主要階段后面講述中，“通信”這一術(shù)語(yǔ)是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過(guò)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。信息時(shí)代：計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)；未來(lái)： 14第1章 緒論1.2 通信系統(tǒng)的組成1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型信息源（簡(jiǎn)稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。信道：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無(wú)線信道兩大類。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。15第1章 緒

5、論接收設(shè)備：從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。 受信者（信宿）：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。16第1章 緒論1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓： (a) 話音信號(hào) (b) 抽樣信號(hào)圖1-2 模擬信號(hào)17第1章 緒論數(shù)字信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值為有限個(gè)，例如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào)：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 (a) 二進(jìn)制信號(hào) (b) 2PSK信號(hào)圖1-3 數(shù)字信號(hào)18第1章 緒論模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是

6、利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)：兩種變換：模擬消息 原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）基帶信號(hào) 已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型19第1章 緒論數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng) 信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換 信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào) 同步目的：使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致 圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型20 數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源信源編碼信道編碼調(diào)制（信道編碼）傳輸信道信宿信源解碼解調(diào)信道解碼噪聲源信源編碼：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)即A/D轉(zhuǎn)

7、換； 降低數(shù)字信號(hào)的數(shù)碼率即數(shù)據(jù)壓縮；信道編碼：由于噪聲、衰落和干擾會(huì)引起差錯(cuò)，進(jìn)行檢錯(cuò)、糾錯(cuò)編碼，從而提高抗干擾能力； 調(diào)制變換：波形編碼，信號(hào)調(diào)制，使基帶信號(hào) 適合在特定的信道中傳輸。傳輸媒介：有線、無(wú)線信道，網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備。解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼： 對(duì)信號(hào)作上述處理相反對(duì)變換。噪聲源：信道中以及分散在通信系統(tǒng)中其他各 處的噪聲的集中表示。信源：原始電信號(hào)(消息信號(hào)或稱基帶信號(hào)) 的來(lái)源，分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備模擬21第1章 緒論1.2.3 數(shù)字通信的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累傳輸差錯(cuò)可控便于處理、變換、存儲(chǔ)便于將來(lái)自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸易于集成，使通信設(shè)

8、備微型化，重量輕易于加密處理，且保密性好缺點(diǎn)：需要較大的傳輸帶寬對(duì)同步要求高22第1章 緒論1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1 通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng) 按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng) 調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制，詳見(jiàn)書中表1-1。按信號(hào)特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng) 按工作波段分類：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信 詳見(jiàn)書中表1-2按信號(hào)復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用 23第1章 緒論1.3.2 通信方式單工、半雙工和全雙工通信單工通信：消息只能單方向

9、傳輸?shù)墓ぷ鞣绞桨腚p工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)收發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式 24第1章 緒論并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施缺點(diǎn)：需要 n 條通信線路，成本高 25第1章 緒論串行傳輸 ：將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施其他分類方式：同步通信和異步通信專線通信和網(wǎng)通信26第1章 緒論1.4 信息及其度量信息：是消息中包含

10、的有效內(nèi)容如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無(wú)關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)關(guān)。消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)【例】 “某客機(jī)墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。 27第1章 緒論度量信息量的方法事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來(lái)描述：消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。 設(shè)：P(x) 消息發(fā)生的概率， I 消息中所含的信息量， 則 P(x) 和 I 之間應(yīng)該有如下關(guān)系：I 是 P(x) 的函數(shù)： I I P(x)P(x) ，I ； P(x) ，I

11、； P(x) = 1時(shí)，I 0； P(x) = 0時(shí)，I ； 滿足上述3條件的關(guān)系式如下：信息量的定義28第1章 緒論上式中對(duì)數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡(jiǎn)記為b 若a = e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若 a = 10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley) 。通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有(b)【例】 設(shè)一個(gè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個(gè)輸出的信息含量為 在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特 29第1章 緒論若有M個(gè)等概率波形（P = 1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為若M

12、是2的整冪次，即 M = 2k，則有當(dāng)M = 4時(shí)，即4進(jìn)制波形，I = 2比特，當(dāng)M = 8時(shí)，即8進(jìn)制波形，I = 3比特。30第1章 緒論對(duì)于非等概率情況設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號(hào)組成的集合，其中每個(gè)符號(hào)xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，即 且有則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為于是，每個(gè)符號(hào)所含平均信息量為由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵 31第1章 緒論【例1】 一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求

13、某消息2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅?，“0”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號(hào)，故該消息的信息量每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為32第1章 緒論若用熵的概念來(lái)計(jì)算：則該消息的信息量 以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結(jié)果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號(hào)數(shù)的增加而減小。 當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。3334第1章 緒論連續(xù)消息的信息量關(guān)于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來(lái)描述?？梢?/p>

14、證明，連續(xù)消息的平均信息量為式中，f (x) 連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。35第1章 緒論1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性有效性：指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題。可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶來(lái)度量?？煽啃裕嚎捎媒邮斩俗罱K輸出信噪比來(lái)度量。 36第1章 緒論數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)衡量。 碼元傳輸速率RB：定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡(jiǎn)記為B。式中T 碼元的持續(xù)時(shí)間（秒） 信息傳輸速率Rb：定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，簡(jiǎn)記為 b/s ，或bps 37第1章 緒論碼元速率和信息速率的關(guān)系或 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)：M = 2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對(duì)于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M = 8）中，若碼